CN107946615A - 一种燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统 - Google Patents

一种燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统 Download PDF

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Abstract

一种燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统，涉及能源和化工领域。一种燃料电池汽车供氢的方法，包括：用燃气管网中的燃气作为氢源，利用物理法对燃气进行处理得到尾气和氢气纯度大于氢源的产品气，将产品气加压成可加注至燃料电池汽车的气源；将尾气输送回燃气管网。其能改善制氢尾气难处理的问题。

Description

一种燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统
技术领域
本发明涉及能源和化工领域，且特别涉及一种燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统。
背景技术
燃料电池发电系统具有高效、零排放及续驶里程长的优势，发展氢燃料电池汽车有利于解决能源、环保两大世界难题，被汽车产业界认为是汽车动力源未来发展的方向。
近年来，随着车用燃料电池产品开发和应用验证日趋深入，燃料电池汽车技术已经接近满足商业化要求，全球燃料电池汽车表现出强劲的增长势头，据国际能源署(IEA)的统计数据，至2020年在世界范围运行的燃料电池乘用车和商用车数量将超过520,000辆。氢气是燃料电池汽车的主要燃料，加氢站是发展燃料电池汽车必要的配套设施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池汽车供氢的方法，以改善制氢尾气难处理的问题。
本发明的另一目的在于提供一种燃料电池汽车供氢系统，该系统能为燃料电池汽车供氢，且污染少、环保。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提供一种燃料电池汽车供氢的方法，包括：采用燃气管网中的燃气作为氢源，利用物理法对燃气进行处理得到尾气和氢气纯度大于氢源的产品气，将产品气加压成可加注至燃料电池汽车的气源；将尾气输送回燃气管网。
本发明还提供一种燃料电池汽车供氢系统，其适用于以燃气管网中的燃气作为氢源，燃料电池汽车供氢系统包括：燃气处理装置、增压机以及尾气处理装置。
燃气处理装置的入口用于与燃气管网连接，并被配置成对从燃气管网中引出的燃气进行物理处理后得到尾气和氢气纯度大于氢源的产品气。增压机与燃气处理装置的氢气出口连接。尾气处理装置被配置成将燃气处理装置产生的尾气排放到燃气管网中。
本发明实施例的有益效果是：通过对燃气管网中的燃气利用物理法进行处理,可得到较高纯度的产品气，再将产品其加压，可加注至燃料电池汽车供其使用。由于燃气管网与燃料电池汽车的使用区域是契合的，使用便利，同时还可与加油站共建，解决氢源输送管网的建设和占地问题。燃气管网中的燃气含有大量的氢气，且燃气管网中的燃气作为热源气，以燃气管网中的燃气作为氢源，不一定需要追求高的氢气回收率。燃气经处理后得到的尾气均可返回燃气管网中再利用的，环保节能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明具体实施方式的第一种燃料电池汽车供氢系统；
图2为本发明具体实施方式的第二种燃料电池汽车供氢系统；
图3为本发明具体实施方式的第三种燃料电池汽车供氢系统；
图4为本发明具体实施方式的第四种燃料电池汽车供氢系统。
图标：100-燃料电池汽车供氢系统；110-燃气管网；120-燃气处理装置；121-过滤器；122-氢气分离器；123-氢气提纯器；130-氢气储罐；140-增压机；150-加氢机；160-燃料电池汽车；171-第一管道；172-第二管道；173-通气管道；181-进气控制阀；182-第一回流控制阀；183-第二回流控制阀。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
下面对本发明实施方式的进行具体说明。
氢气是燃料电池汽车160的主要燃料，加氢站是发展燃料电池汽车160必要的配套设施。车用加氢站一方面要能够提供与常规矿物燃料相比具有价格竞争力的氢气，同时还要具有使用便利性，即设置在汽车运行范围内，解决驾驶者的加氢焦虑。
已有的燃料电池汽车160用加氢站的氢来源主要有两类：远程运输供氢和站内制氢。
远程运输供氢方式的特点是制氢和用氢完全分离，即氢源不一定在汽车运行范围之内，这对于目前的小范围示范运行不失为可行方案，但是对于今后的燃料电池汽车160商业化普及应用，其氢气的运输成本或供给能力等问题不可忽视。
站内制氢的方式目前主要有水电解制氢和天然气重整制氢两种。水电解制氢的技术成熟，应用也比较广泛，但是耗电较高，制氢成本和用电压力也很大。天然气重整制氢方式的主要问题是要解决碳化物的排放问题，尤其是对于分布式加氢站，如果排放物控制不利，与推广燃料电池汽车160的节能减排初衷不符，同时，天然气重整制氢适合于连续稳定的氢生产，用于随机性较强的车用加氢站其应变性不够。
基于此，本发明提出一种燃料电池汽车160供氢的方法，包括：采用燃气管网110中的燃气作为氢源，利用物理法对燃气进行处理得到尾气和氢气纯度大于氢源的产品气，将产品气加压成可加注至燃料电池汽车160的气源；将尾气输送回燃气管网110。
由于燃气管网110中的燃气含有大量的氢气，且燃气管网110中的燃气作为热源气，以燃气管网110中的燃气作为氢源，不一定需要追求高的氢气回收率。燃气经处理后得到的尾气均可返回燃气管网110中再利用的，环保节能。在本发明的实施方式中，燃气管网110中的燃气为煤气。例如，焦炉煤气和直立炭化炉煤气。
并且，燃气管网110特别是城市燃气管网110一般都是布局在人口密集区，与燃料电池汽车160的使用范围重叠较大，使用便利，同时还燃气管网110还可与加油站共建，能够减少能源输送管网的建设、投资费用问题。本发明的一些实施方式中，燃气管网110为城市燃气管网110。在本发明的一些实施方式中，燃气管网110也可以为农村的燃气管网110。农村的燃气管网110也与燃料电池的使用范围重叠较大，燃料电池汽车160使用便利。
具体地，在本发明的一些实施方式中，利用物理法对燃气进行处理的过程包括：将燃气过滤以除去杂质；将过滤后的燃气进行分离提纯得到产品气和尾气。其中，过滤除去的杂质包括焦油和萘以及一些颗粒物。
另外，分离提纯的方法包括变压吸附法、膜分离法和低温吸附法的至少一种。
变压吸附法，是以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，在两种压力状态之间工作的可逆的物理吸附过程，它是根据燃气中杂质组分在高压下具有较大的吸附能力，在低压下又具有较小的吸附能力，而理想的组分氢气则无论是高压或是低压都具有较小的吸附能力。在高压下，增加杂质分压以便将其尽量多的吸附于吸附剂上，从而达到高的氢气纯度。
膜分离法，主要利用高分子膜进行，高分子膜对一切气体都是可以渗透通过的，但是透过速率不同。其过程是气体分子首先被吸附并溶解于膜的高压侧表面，然后借助浓度梯度在膜中扩散，最后从膜的低压侧解吸出来。由于燃气中的氢气为快气，其他的气体如甲烷等为慢气，膜分离法利用不通气体的分压差为推动力，使氢气在膜的低压侧富集。
在本发明的一些实施例中，膜分离法包括钯膜分离法。氢气透过钯膜的方式遵循溶解—扩散机制。氢分子在钯膜表面化学吸附，并解离表面氢原子溶解于钯膜。氢原子在钯膜中从一侧扩散到另一侧。氢原子从钯膜析出，呈化学吸附态。表面氢原子化合成氢分子并脱附。从而可以得到较纯净的氢气。
低温吸附法，是利用吸附剂对不同气体的吸附容量随温度与压力的不同而有差异的特性，在吸附剂选择吸附的条件下，在低温高压下吸附燃气中的杂质组分，未被吸附的氢气排出；升温减压或纯气吹洗以解吸这些杂质而使吸附剂得到再生。
需要说明的是，当分离提纯的方法包括变压吸附法、膜分离法和低温吸附法的两种和三种时，每种方法是依次进行的。
在本发明的一些实施方式中，可将产品气加压至大于40MPa，然后再加注至燃料电池汽车160。经加压后的产品气容易加注至燃料电池汽车160。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，燃气管网110中的燃气过滤以除去杂质后，先对燃气进行加压，然后再进行分离提纯。
本发明还提供一种燃料电池汽车供氢系统100，其适用于以燃气管网110中的燃气作为氢源，燃料电池汽车供氢系统100包括：燃气处理装置120、增压机140以及尾气处理装置。
燃气处理装置120的入口用于与燃气管网110连接，并被配置成对从燃气管网110中引出的燃气进行物理处理后得到尾气和氢气纯度大于氢源的产品气。增压机140与燃气处理装置120的氢气出口连接。尾气处理装置被配置成将燃气处理装置120产生的尾气排放到燃气管网110中。请参照图1。
来自燃气管网110的燃气进入燃气处理装置120后得到尾气和产品气，尾气经尾气处理装置排放到燃气管网110中可进行再利用，产品气可在增压机140的作用下加压，然后可加注至燃料电池汽车160。
由于燃气管网110中的燃气含有大量的氢气，且燃气管网110中的燃气作为热源气，以燃气管网110中的燃气作为氢源，不一定需要追求高的氢气回收率。燃气经处理后得到的尾气均可返回燃气管网110中再利用的，环保节能。
燃气管网110特别是城市燃气管网110一般都是布局在人口密集区，与燃料电池汽车160的使用范围重叠较大，使用便利，能够减少能源输送管网的建设、投资费用问题。
具体地，在本发明的实施方式中，燃气处理装置120包括：过滤器121、氢气分离器122和氢气提纯器123。
过滤器121的入口用于与燃气管网110连接，并被配置成并对从燃气管网110中的燃气引出的燃气进行过滤。
氢气分离器122的入口与过滤器121的出口连接，并被配置成将经过过滤的燃气分离成氢气和尾气。
氢气提纯器123与氢气分离器122的氢气出口连接，氢气提纯器123的出口与增压机140的入口连接，氢气提纯器123的并被配置成将氢气分离器122分离出的氢气进行提纯以得到产品气及尾气。
燃气管网110中的燃气经过滤器121过滤除去杂质后，再经过氢气分离器122分离得到氢气和尾气，尾气可输送回燃气管网110，得到的氢气经过氢气提纯器123提纯后得到产品气及尾气，产品气经增压机140增压后可加注至燃料电池汽车160，尾气可输送回燃气管网110，请参照图2。
来自燃气管网110的燃气进入过滤器121被过滤后，去除了焦油和萘及颗粒杂质等。然后过滤后的燃气进入到氢气分离器122将氢气分离，得到的氢气纯度大于95％，同时产生尾气，尾气可输送回燃气管网110。分离出的氢气经氢气提纯器123被进一步提纯，得到氢气纯度大于99.99％的产品气。然后利用增压机140将产品气加压后可加注至燃料电池汽车160。
其中，氢气分离器122可选择变压吸附型氢分离器或膜分离型氢分离器。氢气提纯器123可选择低温吸附氢气净化器或二级吸附氢净化器或催化型氢净化器。过滤器121可选择吸附过滤器。需要说明的是，氢气分离器122、氢气提纯器123及过滤器121的选择可根据燃料电池汽车160供氢的方法中的分离提纯的具体方法来具体选择，本发明的实施例中不做限定。
另外，请参照图3，燃气管网110与过滤器121可通过通气管道173连接，通气管道173上还是设置有进气控制阀181以控制燃气管网110中的燃气进入过滤器121中。
进一步地，在本发明的一些实施方式中，尾气处理装置还包括第一管道171和第二管道172，第一管道171的两端分别与氢气分离器122的尾气出口、燃气管网110连通，第一管道171上设置有第一回流控制阀182。燃气经氢气分离器122分离后得到的尾气可通过第一管道171输送回燃气管网110。
第二管道172的两端分别与氢气提纯器123的尾气出口、燃气管网110连通，第二管道172上设置有第二回流控制阀183。经氢气提纯器123提纯后得到的尾气可通过第二管道172输送回燃气管网110。
本发明的燃料电池汽车供氢系统100，可将所有尾气都返回燃气管网110中再利用，能够充分利用燃气和基本保障零排放。
进一步地，请参照图4，在本发明的实施方式中，燃料电池汽车供氢系统100还包括氢气储罐130和可向燃料电池汽车160加注氢气的加氢机150，氢气提纯器123与氢气储罐130连通，氢气储罐130与增压机140连通，增压机140与加氢机150连通。
经提纯后的高纯氢气进入氢气储罐130中被储存起来，通过增压机140可将氢气储罐130中的产品气输送至加氢机150中，然后通过加氢机150可实现向燃料电池汽车160加注氢气。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种燃料电池汽车供氢系统100，请参照图4，其适用于以燃气管网110中的燃气作为氢源，燃料电池汽车供氢系统100包括：过滤器121、氢气分离器122、氢气提纯器123、氢气储罐130、增压机140和可向燃料电池汽车160加注氢气的加氢机150。其中，过滤器121采用吸附过滤器，氢气分离器122采用膜分离型氢分离器，氢气提纯器123采用低温吸附氢气净化器。
吸附过滤器的入口通过通气管道173与燃气管网110连接，通气管道173上设置有进气控制阀181。氢气分离器122的入口与吸附过滤器的出口连接，氢气分离器122的尾气出口通过第一管道171与燃气管网110连接，第一管道171上设置有第一回流控制阀182。低温吸附氢气净化器的入口与膜分离装置的出口连接，低温吸附氢气净化器的的尾气出口通过第二管道172与燃气管网110连通，第二管道172上设置有第二回流控制阀183。
某地区城市燃气管网110中的燃气为焦炉煤气。来自燃气管网110的焦炉煤气经通气管道173进入吸附过滤器，去除了萘和焦油的燃气被送入氢气分离器122，氢气分离器122的处理能力为100～10000m3/hr，氢气回收率为88％。氢气分离器122的尾气经第一管道171被输送到城市燃气管网110，分离后的燃气(含氢≥95V％)进入低温吸附氢气净化器进行提纯得到产品气，低温吸附氢气净化器的尾气经第二管道172被送回到城市燃气管网110，产品气被存贮在氢气储罐130中，经增压机140增压至≥40Mpa，采用35Mpa加氢机150为燃料电池汽车160加注氢气。
其中，本实施例的焦炉煤气的气体成分和处理后的燃气成分记录在表1中。
表1焦炉煤气的气体成分和处理后的燃气成分
实施例2
本实施例提供一种燃料电池汽车供氢系统100，请参照图4，其适用于以燃气管网110中的燃气作为氢源，燃料电池汽车供氢系统100包括：过滤器121、氢气分离器122、氢气提纯器123、氢气储罐130、增压机140和可向燃料电池汽车160加注氢气的加氢机150。其中，过滤器121采用吸附过滤器，氢气分离器122采用变压吸附型氢分离器，氢气提纯器123采用催化型氢净化器。
吸附过滤器的入口通过通气管道173与燃气管网110连接，通气管道173上设置有进气控制阀181。氢气分离器122的入口与吸附过滤器的出口连接，氢气分离器122的尾气出口通过第一管道171与燃气管网110连接，第一管道171上设置有第一回流控制阀182。催化型氢净化器的入口与氢气分离器122的出口连接，催化型氢净化器的尾气出口通过第二管道172与燃气管网110连通，第二管道172上设置有第二回流控制阀183。
某地区城市燃气管网110中的燃气为焦炉煤气。来自燃气管网110的焦炉煤气经通气管道173进入吸附过滤器，去除了水、萘和焦油的燃气被送入氢气分离器122，氢气分离器122的处理能力为100～10000m3/hr，氢气回收率为90％。氢气分离器122的尾气经第一管道171被输送到城市燃气管网110，分离后的燃气(含氢99.99V％)进入催化型氢净化器进行提纯得到产品气，催化型氢净化器的尾气经第二管道172被送回到城市燃气管网110，产品气被存贮在氢气储罐130中，经增压机140增压至≥75Mpa，采用70Mpa加氢机150为燃料电池汽车160加注氢气。
其中，本实施例的焦炉煤气的气体成分和处理后的燃气成分记录在表2中。
表2焦炉煤气的气体成分和处理后的燃气成分
实施例3
本实施例提供一种燃料电池汽车供氢系统100，请参照图4，其适用于以燃气管网110中的燃气作为氢源，燃料电池汽车供氢系统100包括：过滤器121、氢气分离器122、氢气提纯器123、氢气储罐130、增压机140和可向燃料电池汽车160加注氢气的加氢机150。其中，过滤器121采用吸附过滤器，氢气分离器122采用变压吸附型氢分离器，氢气提纯器123采用二级吸附氢净化器。
吸附过滤器的入口通过通气管道173与燃气管网110连接，通气管道173上设置有进气控制阀181。氢气分离器122的入口与吸附过滤器的出口连接，氢气分离器122的尾气出口通过第一管道171与燃气管网110连接，第一管道171上设置有第一回流控制阀182。二级吸附氢净化器的入口与氢气分离器122的出口连接，二级吸附氢净化器的尾气出口通过第二管道172与燃气管网110连通，第二管道172上设置有第二回流控制阀183。
某地区城市燃气管网110中的燃气为焦炉煤气。来自燃气管网110的焦炉煤气经通气管道173进入吸附过滤器，去除了水、萘和焦油的燃气被送入氢气分离器122，氢气分离器122的处理能力为100～10000m3/hr，氢气回收率为90％。氢气分离器122的尾气经第一管道171被输送到城市燃气管网110，分离后的燃气(含氢99.99V％)进入二级吸附氢净化器进行提纯得到产品气，二级吸附氢净化器的尾气经第二管道172被送回到城市燃气管网110，产品气被存贮在氢气储罐130中，经增压机140增压至≥75Mpa，采用70Mpa加氢机150为燃料电池汽车160加注氢气。
其中，本实施例的焦炉煤气的气体成分和处理后的燃气成分记录在表3中。
表3焦炉煤气的气体成分和处理后的燃气成分
综上所述，本发明实施例的燃料电池汽车供氢的方法及供氢系统，通过对燃气管网中的燃气利用物理法进行处理可得到较高纯度的产品气，再将产品其加压，可加注至燃料电池汽车供其使用。由于燃气管网中的燃气含有大量的氢气，且燃气管网中的燃气作为热源气，以燃气管网中的燃气作为氢源，不一定需要追求高的氢气回收率。燃气经处理后得到的尾气均可返回燃气管网中再利用的，环保节能。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于，包括：
采用燃气管网中的燃气作为氢源，利用物理法对所述燃气进行处理得到尾气和氢气纯度大于所述氢源的产品气，将所述产品气加压成可加注至燃料电池汽车的气源；将所述尾气输送回所述燃气管网。
2.根据权利要求1所述的燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于，利用物理法对所述燃气进行处理的过程包括：将所述燃气过滤以除去杂质；将过滤后的燃气进行分离提纯得到产品气和尾气。
3.根据权利要求2所述的燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于，所述分离提纯的方法包括：变压吸附法、膜分离法和低温吸附法的至少一种。
4.根据权利要求2所述的燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于，所述杂质包括焦油和萘。
5.根据权利要求1所述的燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于，将所述产品气加压至大于40MPa，然后可加注至所述燃料电池汽车。
6.根据权利要求1所述的燃料电池汽车供氢的方法，其特征在于，所述燃气管网为城市燃气管网，优选地，所述燃气管网中的燃气为煤气。
7.一种燃料电池汽车供氢系统，其适用于以燃气管网中的燃气作为氢源，其特征在于，所述燃料电池汽车供氢系统包括：燃气处理装置，所述燃气处理装置的入口用于与所述燃气管网连接，并被配置成对从所述燃气管网中引出的燃气进行物理处理后得到尾气和氢气纯度大于所述氢源的产品气；
增压机，所述增压机与所述燃气处理装置的氢气出口连接；以及
尾气处理装置，尾气处理装置被配置成将燃气处理装置产生的尾气排放到所述燃气管网中。
8.根据权利要求7所述的燃料电池汽车供氢系统，其特征在于，所述燃气处理装置包括：
过滤器，所述过滤器的入口用于与所述燃气管网连接，并被配置成并对从燃气管网中的燃气引出的燃气进行过滤；
氢气分离器，所述氢气分离器的入口与所述过滤器的出口连接，并被配置成将经过过滤的燃气分离成氢气和尾气；
氢气提纯器，所述氢气提纯器与所述氢气分离器的氢气出口连接，所述氢气提纯器的出口与所述增压机的入口连接，并被配置成将所述氢气分离器分离出的氢气进行提纯以得到产品气及尾气。
9.根据权利要求8所述的燃料电池汽车供氢系统，其特征在于，所述尾气处理装置包括第一管道和第二管道，所述第一管道的两端分别与所述氢气分离器的尾气出口、所述燃气管网连通；所述第二管道的两端分别与所述氢气提纯器的尾气出口、所述燃气管网连通。
10.根据权利要求9所述的燃料电池汽车供氢系统，其特征在于，所述第一管道上设置有第一回流控制阀，所述第二管道上设置有第二回流控制阀门。
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